背景提升丨海外科研远程-『理工』-基于机器人技术探索仿生肢体的奥秘

2015年，英国的Open Bionics通过3D打印技术，结合机器人传感器制造出了Hero Arm（英雄臂）。

他们为英雄臂制作了各式各样的“皮肤”。有加入好莱坞大片元素的，也有和迪士尼的合作款。如《钢铁侠》《冰雪奇缘》《星球大战》等。

你可能会想问这个是干什么用的。

其实这个拥有好莱坞皮肤的Hero Arm是为截肢儿童准备的。

Open Bionics的首席运营官Smantha Payne解释，加入超级英雄的元素，有利于截肢儿童增强自信。

“我们希望将肢体差异的孩子变成仿生超级英雄。”

Open Bionics的两位创始人Joel Gibbard（左）和 Smantha Payne（右）

随着科技的发展，残障人士除了传统假肢外，有了更好的选择——仿生肢体。

以仿生腿为例，使用者只需要挪一小步，传感器就能感知到运动，自动地适应不同的路面和场景，非常智能化，基本可以像一个正常人一样行走。跳舞，攀爬也通通没问题。

失去左腿的舞蹈老师Adrianne Haslet Davis在TED上重新跳舞

仿生肢体问世已经有一段时间了，但由于价格普遍比较昂贵，超出了普通人的经济承受能力范围，而处于弱势的残障者或儿童根本不敢想象。

Open Bionics设计Hero Arm的初衷就是希望能为截肢者提供他们能负担得起的仿生手。它的售价只有市场上同类型仿生手的一半甚至是十分之一，未来还有降低的趋势。

出生就没有左手的Sadie

来自英国爱丁堡11岁男孩Cameron Millar，出生时就右臂缺失。

戴上星球大战BB-8外壳的英雄手臂的他说：“我喜欢英雄手臂和这些新外壳。我觉得自己很像《星球大战》中最喜欢的角色卢克·天行者(Luke Skywalker)，因为他也有一只仿生手。”

Cameron Millar

仿生肢体的出现为残障人士提供了很多便利，不论是社会的偏见还是个人的心理障碍都在某种程度上得到了治愈。

现如今已经出现了仿生眼、仿生手、仿生腿……

我们可以一起幻想一下：在未来也许不论是正常人还是残疾人都有仿生手，仿生腿，到时候每个人都可以成为Iron Man，这个世界也就没有“残疾”和“正常”之分了。

当然，在那一天来临之前，我们可以共同探索一下仿生肢体的运作原理。

以Open Bionics的英雄手臂为例，它主要包括3D打印的仿生机械手和肌电信号系统两个主要部分。

将医用电极与手臂肌肉连接起来，当手臂肌肉收缩后，肌肤表面会产生电子信号。当感应器获取这种信号时，便将它传递给机械手，肌电手便开始抓取。

现在已经出现了可以用意念控制的仿生手。它的原理和刚才提到的是一样的，只不过为了让佩戴者“感受”每根手指的感觉，这一次电子信号要被送到大脑，去刺激大脑中的感觉神经元。

用意念控制固然更接近真手，体验感会更好，但是科学家们最开始面临的困难是，他们无法获得足够强或足够稳定的神经信号来发送到仿生肢体。

尽管可以通过脑机接口获得这种信号，但植入脑机接口的过程是侵入性的且成本很高，而且围绕大脑和脊髓扇形分布的末梢神经所携带的神经信号太小，不好捕捉。

循环神经网络

后来一种新的植入技术解决了这个问题——通过机器学习并放大这些信号。植入手术需要切断截肢者的一条末梢神经，然后缝合到肌肉上。

该部位三个月后会愈合并发育出神经和血管。

血管

接着会被植入电极，从而使神经信号能够被记录下来并实时传递到假手上。而这种强度的信号可以使研究人员训练算法将其转换成动作。

神经元

体验过这种仿生手的Lock说，“如果单独检测神经活动，它会显得非常“安静”，不过，因为其中包含了大量信息，又会像“交响乐”一样，需要仔细分辨。而肌肉就像扬声器一样，可以放大神经的活动。”

young muscle

“传统的肌电系统只能检测到音乐的音量，但模式识别软件可以把一个特定的大脑信号（就像一首独特的歌）和一个动作联系起来。”

（懂了吧，你的肌肉其实是个蓝牙音箱）

现如今，仿生肢体技术被广泛应用于康复治疗领域，除了应用于残疾人外，这项技术也同样适合身体健全的人。

德国奥托博克公司正在为大众汽车的工人制造机械外骨骼，以提高工人在工厂的制造能力；Roam Robotics公司推出了能让滑雪者更轻松的运动外骨骼。

Roam Robotics公司的运动外骨骼

动物也得益于仿生肢体，重获新生。今年九月，在西伯利亚的托木斯克市（零下40摄氏度）有一只被遗弃的猫被冻伤，它的整个爪子都因组织坏死而被截肢。

新西伯利亚的一家诊所使用复杂的计算机断层扫描和3D模型为它安装了一种新型仿生爪子。

右图的小可爱就是Ryzhik

兽医谢尔盖·戈什科夫(Sergey Gorshkov)说，“它的四肢，皮肤和骨骼完全相连。进入身体内部的肢体部分是海绵状的，骨组织在里面生长。”

现在这只叫Ryzhik的猫正在重新学习走路。

兽医谢尔盖·戈什科夫(Sergey Gorshkov)

戈什科夫的诊所开创了帮助处于困境中的动物的新方法，包括为一项为鸟类植入假肢的技术申请专利。该诊所还正在为鹦鹉重建喙，为牛重建蹄子。

本次我们向大家推荐的课题是由来自帝国理工学院神经康复工程终身教授带来的《基于机器人技术探索仿生肢体的奥秘》。

在本科研课题中，教授会为大家详细介绍仿生设计和人体交互的主要话题。深入探讨机械、电子设计、人体活动神经控制、可穿戴式传感器设计、神经信号处理、高几临床机电一体化系统等方面话题，储备仿生肢体设计的跨学科知识。

对生物工程、康复医学、神经学感兴趣的同学千万千万不要错过！

【课题主要目标】

★ 全方位了解仿生肢体的研究领域和行业发展、人体与神经接口原理；

★ 掌握肢体残缺患者的临床需求、仿生肢体的机电设计、运动控制的神经生理学；

★ 掌握人类运动的生物力学原理、人机界面、植入式人机界面传感器、人体增强等。

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